Rainer Olzem - arge-geologie.de

Der Kreislauf der Gesteine

Aus Steinen wird Kies, aus Kies wird Sand (www.suite101.de)

Vor Kurzem sagte mir jemand, er wäre froh, nicht die Katastrophe des Zusammenpralls der Afrikanischen mit der Eurasischen Platte und das Verschwinden des Mittelmeeres erleben zu müssen. Aber da irrt mein Gesprächspartner, er hat keine Chance, dieser Katastrophe zu entkommen, denn er befindet sich mittendrin. Die Platten stoßen schon seit Jahrmillionen gegeneinander, übereinander und untereinander, die Alpen heben sich, die Po-Ebene senkt sich und das Mittelmeer schrumpft (Abb. 1).

Abb. 1: Dort, wo heute das Mittelmeer liegt, erhebt sich in ferner Zukunft das Mediterrane Gebirge. (www.geophysik.uni-kiel.de)

So ist das mit geologischen Vorgängen, die meisten laufen in für den Menschen nicht überschaubaren Zeiträumen ab, so dass wir sie als Ganzes nicht wahrnehmen können. So ist das bei der Kollision von tektonischen Platten, beim Auseinanderbrechen von Kontinenten, beim Kreislauf der Gesteine, bei der Evolution der Arten und beim großen Finale unseres Sonnensystems, wenn unsere Sonne ihren Wasserstoff verbraucht hat und zum Roten Riesen wird. Wir merken es nicht.

Wenn Sie im Gebirge wandern, eine Kiesgrube besichtigen oder am Meeresstrand spazieren gehen, sind Sie mitten drin im Kreislauf der Gesteine. Und wenn Sie aufmerksam zuhören, merken Sie es doch: Im Gebirge hören Sie das Poltern von Gesteinsschutt an den Hängen, an der Kiesgrubenwand das leise Rascheln von Sandkörnern, am Meeresstrand das Rollen der Kiesel, wenn sich die Welle zurückzieht. Und wenn sie einem Vulkanausbruch beiwohnen, ist es offensichtlich: Hier entsteht neues Gestein in Form von Basalt, Lava und Asche.

Im Gebirge das Poltern von Gesteinsschutt an den Hängen, ...
... an der Kiesgrubenwand das leise Rascheln von Sandkörnern ...
... und am Meeresstrand das Rollen der Kiesel.

Stoffkreisläufe

Von den kleinsten Bausteinen der Materie bis hin zu den riesigen Galaxien, alles folgt natürlichen Kreisläufen, alles entsteht, vergeht und entsteht wieder aufs Neue. Letztendlich ist alles erneuerbar, allein die Dauer dieser Zyklen ist unterschiedlich.

Abb. 2: Der Kreislauf des Kohlenstoffs (www.uni-kassel.de)
Abb. 3: Der Stoffkreislauf in der Nahrungskette (de.umwelttechnik.wikia.com)

Biologische Kreisläufe sind Stoffkreisläufe chemischer Verbindungen wie Kohlenstoff (Abb. 2), Stickstoff und Schwefel, offene Systeme mit Zu- und Abfuhr von Energie und Stoffen. Die Lebewesen sind darin über Nahrungsketten miteinander verknüpft. Über Produzenten, Konsumenten und Reduzenten werden Nährstoffe und Energie weitergegeben (Abb. 3).

Dabei in Wärme umgewandelte Energie wird durch Sonnenenergie ersetzt. Auch fossile Energieträger wie Erdöl und Kohle fügen sich in den Kohlenstoff-Kreislauf ein. Hier spielt der Faktor Zeit eine wesentliche Rolle, denn dieser Kreislauf hat eine Dauer von vielen Millionen Jahren.

Ebenso unterliegen alle Metalle, insbesondere essentielle, also lebensnotwendige Metalle, einem natürlichen Stoffkreislauf. Durch Lebewesen wird z. B. jährlich viermal mehr Kupfer auf natürliche Art bewegt als durch alle menschlichen Aktivitäten.

Auch wir Menschen sind Teil der Stoffkreisläufe, die Moleküle unseres Körpers waren in früheren Zeiten Bestandteile anderer toter und lebender Materie. Wer weiß, wie viele Teile von Sauriern in uns schlummern.


Der Kreislauf des Wassers

Abb. 4: Der Kreislauf des Wassers auf der Erde (www.staff.uni-mainz.de)

Ein großer regionaler und globaler Kreislauf ist der Kreislauf des Wassers (Abb. 4). Das Wasser der Ozeane und Meere, der Flüsse und Seen und das Wasser auf der festen Erdoberfläche verdunstet, steigt hoch und formt sich zu Wolken. In höheren Geländelagen regnen die Wolken ab und das Wasser fällt als Niederschlag zurück auf die Erdoberfläche, entweder direkt auf Wasserflächen, auf den Boden oder auf die Vegetation, wo ein Teil wieder verdunstet, ein Teil oberirdisch abfließt und ein Teil versickert und als Grundwasser dem Oberflächenwasser und dem Wasser der Meere wieder zufließt.

Die Nutzung von Wasser durch den Menschen ist Teil dieses Kreislaufs. Deshalb kann man Wasser nicht verbrauchen, man kann es nur gebrauchen: Trinkwasser, Waschwasser, Wasser zur Bewässerung und Wasser für die industrielle Produktion geht wieder in den Kreislauf zurück, dem es entnommen wurde.

Der Wilson-Zyklus

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Der kanadische Geophysiker und Geologe John Tuzo Wilson (1908 - 1993) stellte im Jahre 1970 eine Theorie vor, die die Bewegung der großen tektonischen Platten als Kreislauf beschreibt, der sich etwa alle 250 Ma wiederholt und zur Bildung von Superkontinenten bzw. zur Bildung von Ozeanen und zu deren Zusammenschieben führt. Mehr zum Wilson-Zyklus unter Themen: Novopangäa - die Erde in 250 Millionen Jahren.

Der Galaktische Kreislauf

Der größte bekannte Kreislauf ist der Galaktische Kreislauf (Abb. 5). Sternenexplosionen sorgen in einem komplexen Wechselspiel zwischen stellaren und gasförmigen Komponenten einer Galaxie für einen chemischen und dynamischen Kreislauf interstellarer Materie. Von diesen Supernovae freigesetzte Energie und Materie bilden neue Sterne, Planeten und Monde.

Auch wir Menschen sind Teil des Galaktischen Kreislaufs: „Genauso wie wir aus dem Sternenstaub einer früheren Sonnengeneration gemacht sind, werden wir wieder als Sternenstaub für eine spätere „Reinkarnation“ von neuem Leben bereit stehen.“ (Claus Grupen, Physik Uni Siegen).

Abb. 5: Der galaktische Kreislauf (www.astro.uni-koeln.de)

Der Kreislauf der Gesteine

„Der Zusammenbruch des Erdballs ist es, dem wir beiwohnen“ hatte der bekannte österreichische Geologe Eduard Suess (1831 - 1914) noch geschrieben. Wir nennen es Verwitterung und Erosion als Teile im Kreislauf des immerwährenden Vergehens und der stetigen Neubildung der Gesteine.

Alle Gesteine unterliegen auf der Erdoberfläche und innerhalb der Erdkruste über geologische Zeiträume einem Kreislauf von Verwitterung, Sedimentation, Tektonik, Druck und Temperaturbeanspruchung bis hin zur Aufschmelzung und Kristallisation (Abb. 6, 8, 14). Auch die als Lockergesteine bezeichneten Böden unterschiedlicher Korngröße stellen nur einen momentanen Zustand in diesem Kreislauf dar.

Dabei gehen die Gesteine der drei großen Gesteinsgruppen Sedimente, Metamorphite und Magmatite durch fortwährende Veränderung immer wieder aus anderen Gesteinen hervor.

Endogene und exogene Prozesse

Abb. 6: Endogene und exogene Prozesse (www.geophysik.uni-kiel.de)

Gesteine als Dokumente geologischer Prozesse liefern Informationen über Vorgänge, die auf der Erdoberfläche und im Erdinneren ablaufen. Dabei unterscheidet man zwei Arten von geologischen Prozessen (Abb. 6):

Die Prozesse, die an der Oberfläche ablaufen, werden exogene Prozesse genannt. Sie halten den Kreislauf von Erosion, Transport und Sedimentation in Gang, oder sorgen nach Suess für den „Zusammenbruch des Erdballs“.

Die Prozesse, die im Erdinneren durch Druck und Temperatur ablaufen, werden endogene Prozesse genannt. Sie sorgen immer wieder für die Umwandlung und Bildung neuer Gesteine.

Die drei Hauptgruppen der Gesteine

Abb. 7: Gesteinsbildner Feldspat
... Quarz
... Pyroxen (www.tboeckel.de)
... Amphibol (www.mindat.org)
... Glimmer (www.mindat.org)
... und Olivin (www.mindat.org)

Gesteine setzen sich aus gesteinsbildenden Mineralen wie Feldspat, Quarz, Pyroxenen, Amphibolen, Glimmer, Olivin u. a. (Abb. 7) zusammen und lassen sich grundsätzlich in drei große Kategorien einteilen:

Erstens die Sedimente, die durch Ablagerung (Sedimentation) von Materialien unterschiedlichen Ursprungs an der Erdoberfläche entstehen.

Zweitens die Metamorphite, die durch mechanisch-chemische Umwandlung bereits bestehender Gesteine unter hohen Temperaturen bzw. hohem Druck in der Erdkruste gebildet werden.

Zur dritten Kategorie gehören die Magmatite. Sie entstehen aus glutflüssigen Gesteinsschmelzen des Erdinneren, dem Magma. Innerhalb der Erdkruste entstehen dabei die Tiefengesteine, die Plutonite, und an der Erdoberfläche die Ergussgesteine, die Vulkanite.

Verwitterung (1 in Abb. 8)

Beginnen wir die Beschreibung des Gesteinskreislaufs (Abb. 8) mit der Verwitterung der Gesteine (1 in Abb. 8). Unter Verwitterung - der Begriff leitet sich von “Wetter“ ab - werden alle exogenen physikalischen und chemischen Prozesse verstanden, die zur Lockerung und Zerstörung von Gesteinen an der oder nahe der Erdoberfläche führen. Die Verwitterung bestimmt somit ganz wesentlich das Erscheinungsbild der Erde.

Grundsätzlich können drei Verwitterungsarten unterschieden werden: die physikalische, die chemische und die biogene Verwitterung.

Bei der physikalischen Verwitterung spielen mechanische Einwirkungen und die Atmosphärilien wie Gase, Niederschläge, Stäube und Wärmestrahlung der Atmosphäre die wesentliche Rolle. Physikalische Verwitterung kann u. a. in Form von Temperaturverwitterung, Frost- und Salzsprengung oder Druckentlastungs-Verwitterung erfolgen.

Die chemische Verwitterung umfasst Prozesse, bei der die gesteinsbildenden Minerale chemisch verändert bis vollständig aufgelöst und neu gebildet werden. Hier spielt Wasser eine wesentliche Rolle, dessen Bewegung im Boden die chemische Verwitterung auch unterhalb der Erdoberfläche wirken lässt.

Biogene Verwitterung ist die Bezeichnung für biologische Verwitterungsprozesse durch Mikroorganismen, Pflanzen und Tiere. Sie wird hervorgerufen durch Wachstumsdruck von Pflanzenwurzeln, die Wurzelsprengung, oder durch die Aktivität im Gestein grabender und wühlender Tiere. Auch können Organismen durch Bildung von Zersetzungsmaterialien wie Humus-, Schwefel- und Kohlensäure auf Gesteine chemisch einwirken.

Abb. 8: Der Kreislauf der Gesteine. Die Zahlen sind im Text erläutert (geändert nach: www.diercke.de)

Erosion (2, 3)

Der Bryce Canyon in Utah/USA: Extreme Erosion der roten Sandsteine (www.australien-ozeanien.de)

Das durch die Verwitterung zersetzte und zerkleinerte Gestein wird anschließend erodiert. Als Erosion (2) bezeichnet man alle Vorgänge, durch die verwittertes und aufgelockertes Gestein durch Wasser, Wind oder Gletscher abtransportiert wird. Das verwitterte Gestein wird dabei durch fließendes Wasser, durch Wind (Deflation) und Eis (Exaration) in ein tieferes Niveau verfrachtet (3).

Fließende Gewässer und Gletscher bewirken eine mehr oder weniger linienhafte Erosion, während eine flächenhafte Erosion, Denudation genannt, durch Wind (äolisch), Meeresbrandung (marin), Inlandeis (glazial) und auch durch Niederschlag erfolgen kann.

Das Gestein kann während des Transports in seiner Größe und Form verändert werden – es wird zerkleinert und gerundet - und unterliegt damit einer weiteren Verwitterung.

Sedimentation (4)

Wenn die Transportenergie nicht mehr ausreicht, wird das mitgeführte Material sedimentiert, d.h. abgelagert (4). Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers wirkt der Tendenz der transportierten Partikel entgegen, auf die Sohle des Gewässers abzusinken, wobei die Sinkgeschwindigkeit proportional zur Dichte und zur Größe der Teilchen ist. Große und schwere Teilchen setzen sich rascher ab als kleine. Der Transport ist in der Regel auf dem Grund eines Fließgewässers oder auf dem Ozeanboden beendet. Dort schichtet sich das verwitterte Gesteinsmaterial auf und bildet die Sedimente.

Typische Lockersedimente vor der Diagenese sind Tone, Schluffe, Sande und Kiese (Abb. 9).

Abb. 9: Lockersedimente Ton ...
Sand ...
und Kies

Diagenese (5)

Im Laufe der Zeit entsteht im Ozean ein Sedimentbecken, in dem Sedimentschichten übereinander abgelagert werden. Die einzelnen Sedimentlagen werden dadurch in immer größere Tiefen versenkt. Druck und Temperatur wandeln das Lockermaterial nach und nach zum festen Gestein um. Dies nennt man Diagenese, die Zementierung oder das Zusammenpressen der Körner auf ein kleineres Volumen und damit die Verfestigung des ehemaligen Lockersediments (5).

Typische verfestigte Sedimente sind Tonsteine, Sandsteine und Kalksteine (Abb. 10).

Abb. 10: Tonstein ...
Sandstein ...
und Kalkstein

Metamorphose (6)

Gelangen Sedimentgesteine in tiefere Bereiche der Erdkruste, sind sie höheren Temperaturen und Drücken ausgesetzt. Steigen die Temperaturen über 300°C, gehen die Minerale allmählich in eine neue Mineralisierungsphase über. Dieser Vorgang wird Metamorphose genannt (6). Die Sedimente werden in metamorphe Gesteine umgewandelt.

Typische metamorphe Gesteine sind Gneis, Serpentinit, Quarzit und Marmor (Abb. 11).

Abb. 11: Metamorphite Gneis ...
Quarzit ...
und Marmor

Anatexis (7)

Gelangen die Gesteine an den aktiven Plattenrändern durch Subduktion tiefer ins Erdinnere, steigen die Temperaturen und die Drücke weiter an und das bislang feste Gestein schmilzt auf. Durch diese sogenannte Anatexis, die teilweise oder vollständige Aufschmelzung des Gesteins, entsteht zähflüssiges Magma im Erdmantel (7).

Plutonismus (9)

Das Magma hat aufgrund seiner hohen Temperatur bis 1.200°C eine geringere Dichte als das umgebende Gestein. Dadurch und durch den Druck von im Magma enthaltenen Gasen steigt die Gesteinsschmelze auf (11).

Plutonismus (9) ist der Oberbegriff für alle magmatischen Vorgänge, die mit dem Aufstieg und der Platznahme von Magmen innerhalb der Erdkruste zusammenhängen. Plutonite entstehen aus der Kristallisation von Gesteinsschmelzen in der tieferen Erdkruste, sie sind sozusagen in der Kruste steckengebliebenes und erstarrtes Magma (9). Durch die hohen Temperaturen in den tieferen Schichten der Erdkruste bleibt das Magma länger flüssig, die langsame Abkühlung des Magmas fördert die Ausbildung großer gut ausgebildeter Kristalle.

Typische Plutonite sind Granit, Gabbro, Syenit und Diorit (Abb. 12).

Abb. 12: Plutonite Granit ...
Syenit ...
und Diorit

Vulkanismus (12)

Der Vulkanismus ist durch den Aufstieg des Magmas innerhalb der Kruste (11) und durch das Ausfließen des Magmas als Lava an der Erdoberfläche definiert (12). Die Lava kühlt an der Erdoberfläche schneller ab und weist deshalb keine sichtbare kristalline Struktur auf, sondern ist durch Gaseinschlüsse oft blasig ausgebildet.

Neue Gesteine, die Vulkanite, werden nicht nur durch die uns bekannten typischen Vulkane der Subduktionszonen gebildet, sondern sie entstehen vor allem an den Mittelozeanischen Rücken. Dort dringt Magma durch Konvektion aus dem Erdinneren an die Oberfläche und bildet neuen Ozeanboden. Mittelozeanische Rücken sind die Kernzonen der Plattentektonik, hier werden ca. 60% aller magmatischen Gesteine - entsprechend ca. 21 km³/Jahr - gebildet.

Typische Vulkanite sind Andesit, Trachyt und Basalt mit Basaltlava und Bimsstein (Abb. 13).

Abb. 13: Vulkanite Basalt ...
Basaltlava ...
und Bimsstein

Sobald die neu gebildeten Gesteine der Atmosphäre ausgesetzt sind, unterliegen sie wieder der Verwitterung (1). Hier schließt sich der Kreislauf der Gesteine und der Prozess beginnt von neuem.

Große und kleine Kreisläufe

Abb. 14: Der Kreislauf der Gesteine als schematische Darstellung (www2.klett.de)

Der oben dargestellte Kreislauf ist nur eine – vollständige - Variante unter vielen Möglichkeiten. Einige Schritte können auch übersprungen werden (13). Jeder Gesteinstyp kann im Laufe einer Gebirgsbildung gehoben werden, verwittern und wieder als Ausgangsmaterial für neue Sedimente dienen.

Aufgrund der ständigen Bewegung der Erdplatten werden Sedimentbecken nach mehr oder weniger langer Zeit nach ihrer Bildung von einer Kompressionsphase erfasst, zusammengedrückt, gefaltet und können als Gebirge an die Oberfläche gehoben werden (10).

Dort sind die Gesteine Klimaverhältnissen und Prozessen ausgesetzt, unter deren Einwirkung sie ursprünglich nicht entstanden sind. Sie werden physikalisch und chemisch instabil und unterliegen wiederum den unterschiedlichen Prozessen der Verwitterung. Verwitterung bedeutet Anpassung des Gesteins an neue Umweltbedingungen.

Wird ein Sediment gehoben und verwittert unter atmosphärischen Bedingungen, finden weder Metamorphose noch die nachfolgenden Stadien statt. Ein magmatisches Gestein kann auch vor der Hebung wieder der Metamorphose unterliegen und ein Metamorphit ist nach der Hebung an die Oberfläche der Verwitterung und Abtragung ausgesetzt. Diese Kreislaufverkürzungen sind in Abb. 8 durch die breiten Pfeile und in Abb. 14 durch die dünnen Pfeile dargestellt.

Gesteine stellen demnach keine stabilen Gebilde dar und unterliegen den auf und in der Erde vorherrschenden physikalisch-chemischen Bedingungen.

Der Kreislauf der Gesteine (Rock Cycle Animation) endet also - nach menschlichem Maßstab - niemals und läuft in verschiedenen Teilen der Erde in unterschiedlichen Stadien ab.

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